碳納米管自發電電化學壓力傳感器，無需封裝用於水下波浪監測

基於碳納米管的新型自發電電化學壓力傳感器，無需封裝直接用於水下波浪監測

華中科技大學的徐鳴教授和德克薩斯大學達拉斯分校的Ray H. Baughman教授（共同通訊作者）等人首次研發了一種基於碳納米管（CNTs）的新型自發電電化學壓力傳感器，該傳感器無需封裝即可直接用於水下波浪監測。該傳感器利用海水作為電解質，將機械壓力能電化學地轉化為電能，並且可以產生響應於海水壓力變化的電信號。在海洋探索活動中，波浪監測對於潮汐觀測、水下航行、海洋生物遷徙追蹤、海底地震偵測等水下活動監測均具有至關重要的作用。儘管全球定位系統已廣泛應用於各類陸地環境地質監測，但電磁波交互工作機制卻限制了其在波浪監測領域的應用。

目前，波浪監測須依賴先進的壓力傳感器來獲取包括水壓變化、波浪高度及波浪速度等多種關鍵參數信息。然而，受限於工作機制，當前的壓力傳感器在水下壓力監測過程中存在靈敏度低、壓力探測範圍小、防水性能差、能源消耗高、低頻波浪探測不靈敏等問題。因而，亟須開發基於全新工作原理的水下壓力傳感器，以克服該領域所面臨的上述瓶頸問題。

圖一、自供電電化學CNT壓力傳感器的製備及其性能表徵

（a）CNT壓力傳感器的製備示意圖；

（b）自然條件下，CNTs內部管狀結構的TEM圖像；（c）拉伸前後，CNT片的SEM圖像； （d）正弦波和方波施加應力下，CNT壓力傳感器的產生的OCV和SCC變化； （e）施加壓力前後，CNT傳感電極薄片層的變形示意圖； （f）由CNT製備的壓力傳感器的電容和OCV與施加壓力的關係； （g）在0.02 Hz、300 kPa壓力下，CNT壓力傳感器的峰值電壓和峰值功率與負載電阻的關係。

圖二、CNT傳感電極結構對壓力傳感器性能的影響

（a）拉伸過程中，不同機械牽伸應力下製備的CNT薄片的SEM和TEM圖； （b）拉伸過程中，拉應力對Herman's orientation factor取向因子（HOF）和峰峰值OCV的影響；（c）在300 kPa壓力時電容變化率隨HOF的變化而增大，而在0 kPa壓力作用下電容隨HOF的變化而減小； （d-e）當以0.5 Hz正弦波施壓到172 kPa時，壓力傳感器產生的OCV和SCC。

圖三、CNT壓力傳感器在0.6 mol/L NaCl水溶液中的性能

（a）頻率2 Hz不同正弦峰值壓力下，SCC與時間的關係； （b）在2 Hz正弦施壓過程，峰值SCC和靈敏度與峰值壓力的關係； （c）在頻率為0.01 -5 Hz範圍內，峰值SCC與頻率的關係； （d）壓力傳感器在經過10000次正弦施壓循環後的峰值SCC； （e）在0.01 Hz、0.1 Hz和2 Hz時，施加的與波浪高度等效正弦壓力產生的峰值SCC與波幅的關係。

圖四、壓力傳感器在模擬海洋環境中的波浪監測能力

（a） 模擬的海洋環境測試系統；（b）壓力傳感器響應於魚遊動和潛艇運動所產生的實時SCC信號； （c）壓力傳感器對單次及連續水位上升和下降所產生的SCC電信號； （d）壓力傳感器對於單次和連續0.5 Hz槳葉旋轉運動下所產生的SCC電信號。

圖五、溫度、鹽度和波浪運動對傳感器性能的影響

（a）在4-60 oC的溫度範圍內(0.6 mol/L NaCl電解質)，傳感器峰值SCC和靈敏度與溫度的關係； （b）峰值SCC和靈敏度與NaCl電解液濃度的關係； （c）在東湖中，壓力傳感器對近岸波浪變化產生的SCC電信號； （d）在0.6 mol/L NaCl溶液中，5×5的傳感陣列對多點波浪變化的響應。 該傳感器可以探測1 mm（10 Pa）至30 m高的波浪變化，幾乎涵蓋了所有海洋波浪運動範圍，且在海水環境中具有很高的工作循環穩定性。他們在工作過程中無需外部供電，在低於2 Hz的海水壓力變化中，其所收集的比能量較商用壓電傳感器高出六個數量級。此外，該傳感器可在寬溫度範圍（4-60 ℃）和大鹽度區間（0.1-5 mol/L）保持優異的傳感特性。更重要的是，其獨特的電化學傳感機制為解決壓力探測在高精度、低頻壓力探測和寬探測範圍存在的挑戰，提供了全新的應對策略。